JP4269116B2 - Mold shape design device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部品,製品,模型などの立体品製造方法および立体品製造装置に係り、特に、高い強度および剛性が要求される立体品の製造方法および製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータの立体データを迅速かつ簡便に実体化する技術をラピッドプロトタイピング(RP)という。液状の合成樹脂を露光して光化学反応を起こさせ部分的に固化させていく光造形法や粉末にレーザビームを照射して部分的に固化させていく選択的レーザ焼結法(SLS法)などがよく知られている。ラピッドプロトタイピングの詳細については、例えば、中川威雄,丸谷洋二著『積層造形システム』(工業調査会)などに記載されている。
【0003】
一般に、ラピッドプロトタイピングでは、10μm〜1mmの厚さの薄層を多数積み重ねて造形するので、複雑な形状でも工程を変えずに創成できる。この特徴を生かし、例えば、実験を繰り返しながら部品の形状を最適化していくというような設計業務にラピッドプロトタイピングを導入すれば、3次元CADのデータから実験用模型をいつでも低コストで製造できるようになる。すなわち3次元CADを中心とした形態に設計業務を移行させて、いわゆるコンカレント化できる。
【0004】
また、利用者に製品の意匠設計を任せ、需要に応じた一品生産によって製品の付加価値を高めるカスタムデザイン生産を実現することもできる。
【0005】
しかし、これまでのラピッドプロトタイピング用材料は、製品の筐体や実験用模型としての使用に耐えるだけの充分に高い強度および剛性を必ずしも持っていなかった。
【0006】
これらの問題に対しては、造形物を後処理してラピッドプロトタイピング用樹脂材料を金属に置き換える方法がある。よく利用されるのは、消失模型鋳造(インベストメント鋳造)と呼ばれる方法である。この方法では、ラピッドプロトタイピングで作った造形物を鋳物砂の中に埋め、上から溶融金属を注ぎ込む。すると、その熱で造形物が分解して気体となりまたは溶融して砂にしみ込み、造形物の形状がそのまま金属で置き換えられる。
【0007】
特開平7−195141号公報は、光造形法により模型を製造し、この模型をセラミックのスラリに浸してから耐火性の粒子を振りかけ、その後模型を溶融させて除去し、鋳型を迅速に作る方法を示している。
【0008】
また、ステンレスなどの金属粉末をSLS法の材料として造形し、これに銅などを溶浸させたり樹脂などを含浸させたりして仕上げる方法も利用されている。
【0009】
これらの方法によれば、樹脂材料だけの造形物よりも高い強度および剛性を持つ造形物を作ることは、一応できる。
【0010】
特開平10−156514号公報は、表面に熱可塑性樹脂をコーティングした金属粉末などを原料として光造形装置で三次元形状体を造形し、これに砂を塗布してシェルを形成した後、三次元形状体に溶融金属を接触させて含浸させる方法を示している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術では、いずれも、後処理のために、大がかりな設備を必要としている。消失模型鋳造方法では、金属を600℃以上の温度に加熱して溶融させる設備が必要である。また、金属粉末を使用するSLS法では、造形物を長時間高温に保つ溶浸のための設備や造形物に樹脂を浸透させる際の加圧,減圧設備が必要である。
【0012】
これらの設備は、操作するにも相当の熟練を要していた。他社が保有する設備を利用することも考えられるが、その場合には、物流に時間がかかり、ラピッドプロトタイピングの特徴である簡便性,迅速性が損なわれる。
【0013】
また、前記従来技術では、造形物の精度や表面粗さが劣っていた。そのため、表面の平滑な造形物や精度の高い造形物を必要とする場合は、仕上げに多大な労力と時間とを要することになり、やはり簡便性,迅速性の点で問題があった。
【0014】
本発明の目的は、ラピッドプロトタイピングを活用し、高い強度および剛性,優れた精度,表面粗さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる立体品製造方法および立体品製造装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、熱可塑性材料で鋳型を作る鋳型製造工程と、熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にする易融合金鋳造工程と、鋳型を分割して取り外し鋳造品を目標の立体品として取り出す鋳型取り外し工程とを含む立体品製造方法における鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、目標の立体品の形状の全部または一部を外側にオフセットさせ、鋳型の外形形状を作成するオフセット鋳型作成手段を備えたことを特徴とする。このように、熱可塑性材料で鋳型を作り、熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にすると、ラピッドプロトタイピングを活用し、高い強度および剛性とともに、優れた精度、表面粗さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0016】
前記熱可塑性材料は、樹脂材料または樹脂の複合材料であり、鋳型製造工程は、熱可塑性材料の粉末を部分的に焼結して薄層としこの薄層を積み重ねて前記鋳型を作る選択的レーザ焼結法(SLS法)造形工程を含むことができる。この場合は、市販の造形装置を活用し、工程を煩雑にせずに、複雑な立体形状を持つ立体品を製造できる。
【0017】
熱可塑性材料が、樹脂と無機材料ビーズとを含む複合材料であるときには、鋳造の際に生じる鋳型の変形を抑え、精度の高い立体品を製造できる。鋳型の厚さを薄くすれば、易融合金が鋳込まれた鋳型を冷却するための時間が短縮され、その意味でも、立体品を迅速に製造できる。
【0018】
無機材料ビーズの熱伝導率は、前記樹脂の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。易融合金が鋳込まれた鋳型を冷却するための時間を短縮し、立体品をさらに迅速に製造できるからである。
【0019】
いずれの立体品製造方法においても、鋳型製造工程には、鋳型の表面を平滑化する鋳型平滑化工程を含むことも可能である。鋳型の表面を一度だけ平滑化すればよいから、同じ形状を持つ複数の立体品の表面を平滑化する手間を省き、表面が平滑な多数の立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0020】
鋳型取り外し工程に、鋳造品の表面を平滑化する鋳造品平滑化工程を含んでもよい。一般に、鋳型の平滑化工程では手の届きにくい凹部が、鋳造品の平滑化工程では凸部になるので、すべての表面が平滑な立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0021】
鋳型製造工程は、鋳型の内部に熱交換のための流路を形成する工程を含み、易融合金鋳造工程が、前記流路に冷却用の流体を循環させて鋳型を冷却する鋳型冷却工程を含む場合もある。この方式では、易融合金が鋳込まれた鋳型を冷却する時間を短縮し、易融合金の材料特性も改善し、高い強度を持ちクリープによる変形も起こりにくい立体品を迅速に製造できる。
【0022】
易融合金鋳造工程は、鋳型に易融合金を流し込む前に鋳型の中に補強材を配置する補強材設置工程を含むようにしてもよく、高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【0023】
鋳型製造工程が、前記鋳型の内部に熱交換のための流路を形成する工程を含み、易融合金鋳造工程が、前記流路に加熱用の流体を循環させて鋳型を加熱する鋳型加熱工程を含むこともできる。易融合金が常温の補強材に接して不均一に凝固することによる欠陥を避け、高い強度および剛性を持つ立体品を確実に製造できる。
【0024】
易融合金よりも高融点の金属小片を前記補強材とすると、より高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【0025】
易融合金よりも高融点の金属粉末を部分的に焼結して薄層としこの薄層を積み重ねて前記補強材を作る補強材形成工程を含む場合は、鋳型の容積に対する補強材の充填率を高めて、特に高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【0026】
多孔質の前記補強材に金属を溶浸させる補強材溶浸工程を含むようにすれば、市販の造形装置を活用し、特に高い強度および剛性を持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0027】
鋳型取り外し工程は、鋳型に衝撃または振動を加え鋳型と鋳造品とを分離する工程を含むと、鋳型にはまり込んだ立体品を簡単に取り出すことができ、複雑で壊れやすい形状を持つ立体品を簡便かつ確実に製造できる。
【0028】
目標の立体品の形状の全部または一部をオフセットさせて鋳型の形状を作成するオフセット鋳型形状作成工程を含めると、鋳造の際の鋳型の変形を抑え、精度の高い立体品を製造できる。
【0029】
目標の立体品の形状の全部または一部を外側にオフセットさせ、鋳型の外形形状を作成するオフセット鋳型作成手段を備えた鋳型形状設計装置、または、複数に分割された前記鋳型を相互に位置合わせするための部分形状を作成する鋳型合わせ形状作成手段を備えた鋳型形状設計装置、または、鋳型の変形を抑制する保持器に前記鋳型を固定するための部分形状を作成する保持器固定形状作成手段を備えた鋳型形状設計装置を用いると、形状操作の手間を省きながら精度の高い立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0030】
前記鋳型の形状に前記流路の形状を付加する流路形成手段を備えれば、形状操作の手間を省きながら、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速かつ確実に製造できる。
【0031】
目標の立体品の形状に基づいて前記補強材の形状を作成する補強材形状作成手段を備えた場合、形状操作の手間を省きながら、特に高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【0032】
溶融している易融合金を熱可塑性材料の軟化点より5℃ないし20℃低い温度に保つ温度調節器を備えると、鋳造によって鋳型が変形しないように、易融合金の温度を調節しながら融解する手間を省き、簡便かつ安全に立体品を製造できる。
【0033】
加熱用流体を熱可塑性材料の軟化点よりも低く前記易融合金の融点よりも高い温度に保つ温度調節器と、前記流路に前記加熱用流体を吐出するポンプとを備えれば、補強材の置かれた鋳型を予熱するための液体を用意して流す手間を省き、高い強度および剛性を持つ立体品を簡便かつ確実に製造できる。
【0034】
加熱用流体を、多価アルコールまたは多価アルコールを主成分として含む混合物にすれば、鋳型を予熱するための液体が環境汚染の原因にならず、高い強度および剛性を持つ立体品を安全,簡便,確実に製造できる。
【0035】
前記加熱用流体を前記熱可塑性の材料の軟化点よりも低く前記易融合金の融点よりも高い温度に保つ温度調節器と、前記流路に前記加熱用流体または前記冷却用流体を吐出するポンプと、一つの前記流路への前記加熱用流体または前記冷却用流体の吐出を切り換えるバルブとを備えれば、鋳型を予熱するための液体の吐出口と、鋳型を冷却するための液体の吐出口を接続し直す手間を省き、高い剛性を持つ立体品を安全,簡便,確実,迅速に製造できる。
【0036】
易融合金を被覆された金属の小片を採用すると、立体品の形状に合わせて補強材を用意する手間を省き、高い剛性を持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0037】
金属が鉄または鉄系の合金である場合、補強材と易融合金の親和性が強まるので、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0038】
相互に直交する三方向に沿って測った前記金属の小片の寸法のうち、最大の寸法と最小の寸法との比が3倍以上であるようにすると、鋳型の容積に対する補強材の充填率が高まるので、より高い剛性を持つ立体品を製造できる。
【0039】
溶融している易融合金から補強材を分離するスクリーンを備えた場合、易融合金を再利用でき、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速,簡便,低価格に製造できる。
【0040】
加熱流体循環装置を兼ねる易融合金融解装置では、必要な装置を小型化,低価格化し、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速,簡便,低価格に製造できる。
【0041】
易融合金再生装置を兼ねる易融合金融解装置では、必要な装置を小型化,低価格化し、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速,簡便,低価格に製造できる。
【0042】
ビスマスとスズとを主成分として含む易融合金を採用すると、易融合金が環境汚染の原因になりにくく、高い強度および剛性を持つ立体品を安全,簡便,確実に製造できる。
【0043】
さらに、0.5%ないし5%の銅または0.5%ないし5%の銀を易融合金に含ませれば、易融合金の材料特性を改善し、高い強度および剛性を持ち、クリープによる変形が起こりにくい立体品を安全,簡便,確実に製造できる。
【0044】
【発明の実施の形態】
次に、図1〜図16を参照して、本発明による立体品製造方法および立体品製造装置の実施例を説明する。
【0045】
《実施例1》
図1は、本発明による立体品製造方法Pの処理手順を示すフローチャートである。目標の立体品の形状を記述しているCADデータDから完成立体品M3を製造する立体品製造方法Pは、鋳型製造工程P1と、易融合金鋳造工程P2と、鋳型取り外し工程P3とからなる。
【0046】
鋳型製造工程P1は、CADデータDに基づき、SLS法で鋳型M1を作る工程である。易融合金鋳造工程P2は、溶融している易融合金を鋳型M1に流し込んでから、冷まして凝固させる工程である。易融合金を鋳込んだ鋳型M1を鋳造済み鋳型M2という。鋳型取り外し工程P3は、鋳造済み鋳型M2から鋳型M1を取り外し、易融合金で作られた完成立体品M3を残す工程である。
【0047】
図2は、鋳型製造工程P1のさらに詳細な処理手順を示すフローチャートである。データ受信工程P11は、接続されているコンピュータからソリッドモデルであるCADデータDを受信し、このソリッドモデルをサーフェイスモデルである表面形状データD1に変換する工程である。
【0048】
鋳型形状作成工程P12は、表面形状データD1をオフセットさせて、外形形状データD2を作り、これらを組み合わせて鋳型形状データD3を作る工程である。
【0049】
鋳型形状データD3には、造形物Wを鋳型M1として使用するために必要となる型分割面T1などの部分形状も付加する。
【0050】
SLS造形工程P13は、鋳型形状データD3によって記述された形状を持つ鋳型M1をSLS法により製造する工程である。
【0051】
図3は、SLS造形工程P13で使われるSLS造形装置Aの構造を示す図である。SLS造形装置Aは、材料粉末Sを保持するコンテナA1と、材料粉末Sの表面を平坦化するリコータA2と、送りネジA8を回してリコータA2を往復させるリコータ駆動装置A3と、材料粉末Sの表面にレーザビームを照射するレーザヘッドA4と、レーザヘッドA4を前後左右に走査するスキャナA5と、材料粉末Sや造形物Wを載せて支持するエレベータA6と、エレベータA6を上下に移動させるエレベータ駆動装置A7と、SLS造形装置Aの動作を全体的に制御する制御装置A9とにより構成されている。
【0052】
リコータ駆動信号X1は、リコータ駆動装置A3を動作させ、電力を供給する信号である。スキャナ,レーザ駆動信号X2は、レーザヘッドA4の走査経路とレーザビームの明滅を制御し、電力を供給する信号である。エレベータ駆動信号X3は、エレベータA6の動作を制御し、電力を供給する信号である。
【0053】
図4は、図3のSLS造形装置Aの動作をそれぞれに示す図である。SLS造形装置Aは、平坦化された材料粉末Sの表面にレーザビームを走査させながら照射して材料粉末Sを焼結し、鋳型形状データD3が記述している造形物Wの断面形状を持つ層を作る。そして多数の層を積み重ねていき、目標立体形状を持つ造形物Wを作成する。
【0054】
制御装置A9は、鋳型形状データD3を受信すると、このデータD3に基づいて造形物Wの立体形状を持つ立体データを生成する。次に、積層するため、この立体データとそれぞれの層の高さにある水平面との交わりを計算し、造形物Wの断面形状を算出し、層ごとに、リコータ駆動信号X1,スキャナ,レーザ駆動信号X2,エレベータ駆動信号X3を自動的に生成する。
【0055】
SLS造形装置Aは、これらの駆動信号により、エレベータA6または造形物Wの上に材料粉末Sを盛り付け、リコータA2を往復させ、材料粉末Sの表面を平坦化する。レーザヘッドA4からのレーザビームを材料粉末Sの表面に照射する。
【0056】
スキャナA5は、レーザヘッドA4を造形物Wの断面に沿って走査させる。レーザビームにより材料粉末Sが焼結され、薄層が作られる。
【0057】
エレベータA6を1枚の層の厚さだけ下降させ、造形物Wに新しい層を重ねるために準備する。
【0058】
このような動作により、最終的に鋳型M1が作られる。
【0059】
市販のSLS造形装置Aは、ナイロン粉末を材料粉末Sとして使用している。結晶性の大きい高分子であるナイロンは、融点とも見なせる鋭い軟化点を持っており、その温度は、約190℃である。この軟化点温度は、160℃以下である易融合金の融点に対して充分に高いので、易融合金を造形物Wとして鋳込むための鋳型として利用することが可能である。
【0060】
図5は、易融合金鋳造工程P2の実現方法を示すフローチャートである。鋳型クリーニング工程P21は、鋳型M1の内部に残されている材料粉末Sや鋳型M1に付着している材料粉末Sを取り除き、クリーニング済み鋳型M11を作る工程である。
【0061】
鋳型平滑化工程P22は、鋳型M1が積層製造される際にクリーニング済み鋳型M11の表面に現れる段差を研磨または塗装により平滑化する工程である。
【0062】
易融合金溶解工程P23は、鋳型M1の材料の融点を越えないように易融合金Fを加熱して融解させ、易融合金溶融物F1を提供する工程である。
【0063】
図6は、利用できる易融合金Fの組成の例を示す図表である。これら易融合金Fのうち、カドミウムや鉛を含むものは使いにくいので、融点が138℃のビスマス,スズ共晶合金などが実際的な材料となる。易融合金Fの融点は低いので、大がかりな鋳造設備は、不要である。易融合金鋳込み工程P24は、クリーニング済み鋳型M11に易融合金溶融物F1を鋳込み、未凝固鋳型M12を作る工程である。
【0064】
易融合金冷却工程P25は、未凝固鋳型M12を冷却し、鋳込まれた易融合金溶融物F1を凝固させ、鋳造済み鋳型M2を作る工程である。
【0065】
図7は、鋳型取り外し工程P3を示す図である。鋳造品平滑化工程P33は、鋳造品M21の表面を研磨または塗装により平滑化し、完成立体品M3を得る工程である。
【0066】
型割り工程P31は、鋳造済み鋳型M2を取り囲んでいる鋳型M1を型分割面で分割し、鋳造品M21を取り出す工程である。
【0067】
型抜き工程P32は、鋳型M1にはまり込んだ鋳造品M21から、分割された鋳型M1を取り外す工程である。鋳造品M21や型分割面T1の形状によっては、鋳造品M21から鋳型M1が外れにくいことがある。そのような場合には、型割り工程P31に加えて、型抜き工程P32が必要となる。
【0068】
このような立体品製造方法Pによれば、易融合金Fでできた完成立体品M3が作られる。引っ張り強さで表される易融合金Fの強度は、約60MPaであり、ヤング率で表される剛性は、約30GPaである。これらの値を市販のSLS造形装置に使用されているナイロンと比較すると、強度は約3倍,剛性は約15倍である。
【0069】
易融合金Fでできた完成立体品M3は、研磨,塗装による平滑化も容易である。また、立体品製造方法Pには、大がかりな設備を必要とする工程が含まれていない。したがって、立体品製造方法Pを利用すると、ラピッドプロトタイピングを活用し、高い強度および剛性だけでなく、優れた精度,表面租さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0070】
次に立体品製造方法Pについて、例を示しながら詳しく説明する。この例では、インテリアとして使われる置物を作る。その立体杉状は、予め用意されたCADデータDによって記述されている。
【0071】
データ受信工程P11では、CADデータDをサーフェイスモデルに変換して表面形状データD1を作る。図8(A)は、表面形状データD1が記述している表面形状R1を模式的に示す図である。
【0072】
鋳型形状作成工程P12では、表面形状データD1を外側にオフセットさせて外形形状データD2を作る。図8(B)は、外形形状データD2が記述している外形形状R2を模式的に示す図である。さらに、外形形状R2から表面形状R1を差し引き、厚さがほぼ均一なシェル形状を作る。鋳型M1の厚さを均一にしておくと、鋳造の際の温度変化により生じる鋳型M1の変形を最小限に抑えることができる。
【0073】
こうして作ったシェル形状に、造形物Wを鋳型M1として使用するために必要となる各種の部分形状を付加して鋳型形状R3を作る。部分形状には、鋳型M1を複数に分割するための型分割面T1,鋳型M1の位置を合わせるためのビットピンT2,鋳型M1を垂直に保持するための支持脚T3,鋳型M1に易融合金溶融物F1を流し込むための湯口T4,鋳型M1の中の空気を易融合金溶融物F1と置換するための空気抜きT5,分割された鋳型M1をクリップ金具で組み立てるためのクリッピングポイントT6,鋳型M1の変形を抑制する固定用金具に取り付けるための固定脚T7,鋳型M1を加熱または冷却する液体を流すための流路T8などが含まれる。図8(C)は、鋳型形状R3データが記述している鋳型形状R3を示す図である。
【0074】
CADデータDから鋳型形状Rを作る形状操作は、通常、CADオペレータにより手動でなされる。これを支援するため、専用のCADソフトウェアとして、モデラCが用意されている。モデラCは、表面形状R1をオフセットさせて外形形状データD2やシェル形状を作る操作,型分割面T1を決定する操作,シェル形状に各種の部分形状を付加する操作などを自動的にまたは非常に簡単に行うためのコマンドを備えている。
【0075】
図9は、モデラCの画面の一例を示す図である。モデラCのコマンドはメニューC1に登録されており、CADオペレータは、これらのコマンドを使って、複雑な形状操作を簡単な操作で実行できる。例えば「外形形状」コマンドは、選択されている立体形状を外側にオフセットして新しい立体形状を生成するコマンドである。
【0076】
そこで表面形状R1を選んでから「外形形状」コマンドを実行すれば、外形形状R2を簡単に作成できる。また、外形形状R2と表面形状R1とを選んでから「シェル形状」コマンドを実行すれば、形状を簡単に作ることができる。さらに、図示画面のように、シェル形状の表面に基準点Qを設定し、それから「湯口」コマンドを実行すれば、そこに湯口T4が付加される。
【0077】
SLS造形工程P13では、市販のSLS造形装置Aに鋳型形状データD3を送信し、鋳型形状R3を立体形状とする造形物Wすなわち鋳型M1を作る。
【0078】
鋳型クリーニング工程P21では、鋳型M1を逆さにして振動させ、鋳型M1の内部に詰まっている材料粉末Sを落とす。鋳型M1の内面に付着した材料粉末Sは、細いゴムチューブを鋳型M1の中に挿入し、その端面から空気を吹き出させて取り除く。このようにして、クリーニング済み鋳型M11を作る。
【0079】
鋳型平滑化工程P22では、クリーニング済み鋳型M11の内面を所定の面粗さにまで平滑化する。平滑化の方法には、紙ヤスリなどを使って段差の凸部を取り去る研磨方法,充填用の塗料を使って段差の凹部を埋める塗装方法,両者を併用する方法がある。
【0080】
易融合金溶解工程P23では、易融合金Fを融解させて適切な温度に保温するため、専用の電気炉Hを使用すると便利である。
【0081】
図10は、電気炉Hの構造を示す図である。るつぼH1の中には、融点138℃のビスマス,スズ共晶合金が入っており、ヒータH3の発熱によって溶融し、易融合金溶融物F1となっている。易融合金溶融物F1は、過熱すると空気中の酸素によって酸化されやすくなる。そのため、グリセリン浴H2を使い、るつぼH1を間接的に加熱し、易融合金溶融物F1の過熱を防いでいる。
【0082】
グリセリン浴H2には、ヒータH3への通電を制御するサーモスタットH4が付属している。ヒータH3の発熱によってグリセリンの温度が所定の設定温度を越えると、サーモスタットH4が動作してヒータH3への通電を止める。グリセリン浴H2と易融合金溶融物F1の温度は、サーモスタットH4の設定温度に保たれる。サーモスタットH4の最適な設定温度は、鋳型M1の材料によって変わる。通常は、その軟化点に対して、5℃ないし20℃低い温度に設定する。グリセリンに代えて、エチレングリコールなどの多価アルコールを採用してもよい。
【0083】
材料粉末Sとしてナイロンを使用する場合には、その軟化点が約190℃であることを考え、設定温度を185℃にすればよい。ナイロンは鋭い軟化点を持っているので、185℃でもほとんど軟化しない。
【0084】
なお、電気炉Hの注出口H5は、るつぼH1の底部に付いており、易融合金溶融物F1の表面に浮いている酸化物が、注出口H5から鋳型M1の中に流れ込まないようになっている。
【0085】
易融合金鋳込み工程P24では、まず、複数に分割されているクリーニング済み鋳型M11を、クリッピングポイントT6にクリップ金具J3をはめて組み立て、さらに、支持脚T3を土台金具J1に固定して垂直に支える。また、土台金具J1に付属している固定用金具J2には固定脚T7を取り付け、鋳造による鋳型M1の変形を抑える。これを電気炉Hの注出口H5の真下に湯口T4が来るように置き、上から易融合金Fを流し込む。
【0086】
易融合金冷却工程P25では、未凝固鋳型M12をしばらく放冷し、易融合金溶融物F1を凝固させる。図11は、こうして作られる鋳造済み鋳型M2の構造を示す図である。
【0087】
型割り工程P31では、鋳造済み鋳型M2を取り囲んでいる鋳型M1の隙間にてこI1を差し込み、これをねじって、分割されている鋳型M1を取り外していく方法で、鋳造品M21を取り出す。ナイロンを鋳型M1の材料として使う場合には、ナイロンと易融合金Fとの親和性が非常に小さいことから、特に離型剤などを使う必要はない。
【0088】
しかし、鋳造品M21や型分割面T1の形状によっては、分割された鋳型M1に鋳造品M21がはまり込み、取り出しにくいことがある。型抜き工程P32では、はまり込んでいる鋳造品M21を上にするように鋳型M1を保持しておき、鋳造品M21の周囲にある鋳型M1の部分をハンマI2で叩く。このようにすると、ナイロンと易融合金Fとの密度の違いにより、鋳造品M21が鋳型M1から上に抜けてくる。
【0089】
鋳型M1の材料であるナイロンは、衝撃や振動に対して壊れにくいが、大きい力が作用すると、わずかに弾性変形をする。そのため多くの場合、この方法を利用して、鋳造品M21を壊すことなく、鋳型M1から分離できる。図12は、型割り工程P31および型抜き工程P32で行う作業を示す図である。
【0090】
鋳造品平滑化工程P33では、研磨や塗装により、鋳造品M21の表面を所定の表面粗さにまで平滑化する。鋳型平滑化工程P22でも鋳型M1の内面を平滑化するが、手の届きにくい鋳型M1の凹部を充分に平滑化することは難しい。
【0091】
しかし、鋳造によって鋳型M1の凹部は鋳造品M21の凸部となるので、鋳型平滑化工程P22では、充分な平滑化ができなかった凹部は、鋳造品平滑化工程P33で、研磨や塗装を十分に行って平滑化できる。このように鋳型平滑化工程P22と鋳造品平滑化工程P33を組み合わせると、鋳造品M21の全面を充分に平滑化することが可能となる。
【0092】
型割り工程P31,型抜き工程P32で取り外された鋳型M1は、10回以上繰り返し使用できる。この繰り返し使用できることは、本発明の特徴の1つである。したがって、複数の完成立体物M3を作る場合、鋳型平滑化工程P22で、鋳型M1の表面のうちなるべく多くの部分を平滑化しておけば、完成立体物M3の個数だけしなければならない鋳造品平滑化工程P33を省力化できる。
【0093】
《実施例2》
材料粉末Sにガラスなどの無機材料のビーズを混合すれば、鋳型M1の強度および剛性を増加させ、鋳造の際の変形を抑制できる。また、鋳型M1の厚さを薄くでき、放熱しやすくできる。これによって、易融合金冷却工程P25で、未凝固鋳型M12を冷却するための時間が短縮され、完成立体物M3がより迅速に得られる。
【0094】
また、金属などの熱伝導率の大きい材料のビーズを使えば、未凝固鋳型M12を冷却する時間をさらに短縮できる。
【0095】
《実施例3》
鋳型製造工程P1で鋳型M1を作る際、鋳型M1の内部に熱交換のための流路を形成しておけば、易融合金冷却工程P25での未凝固鋳型M12の冷却を速める目的で、流路に冷却用の液体を流すことができる。この方法は、鋳型M1の厚さを薄くする方法などと異なり、易融合金溶融物F1の凝固時期を自由に制御できる。そのため、複雑な形状を持つ鋳造物M21でも正確に作ることができる。しかも、易融合金溶融物F1を急速に凝固させることができるので、鋳造物M21の材料となる易融合金Fの結晶が細かくなり、鋳造物M21の材料特性が改善される。
【0096】
また、完成立体品M3の強度および剛性をさらに増す方法として、易融合金Fよりも融点が高い金属で補強材を作り、鋳造の前に予め鋳型M1の内部に置いておく方法がある。しかし、この方法では、鋳型M1の容積に対して補強材の体積の割合が大きい場合など、鋳込まれた易融合金溶融物F1が常温の補強材に接して冷やされ、不均一に凝固するために、鋳造がうまく行われない。
【0097】
これに対しては、補強材と鋳型M1を予め易融合金Fの融点よりも高い温度に予熱しておく方法が有効である。この場合にも、鋳型M1の内部に流路を形成しておけば、易融合金溶融物F1の鋳造を行う前に、流路に加熱用の液体を流して鋳型M1を予熱できる。
【0098】
鋳型M1の内部に流路を形成する形状操作を支援するため、鋳型形状作成工程P12で使用されるモデラCに専用の「流路」コマンドを登録しておく。このコマンドは、鋳型M1の内面と外面の間に、内面までの距離と外面までの距離の比が一定となるような中間面を定義し、これに沿って流路T8を生成する。また、流路T8の入口,出口にジョイントを設け、チューブを接続できるようにする。
【0099】
鋳型M1の内部に形成された流路に冷却用または加熱用液体を流すには、液体循環装置Gを使用すると便利である。
【0100】
図13は、液体循環装置Gの構造を示す図である。液体循環装置Gは、ヒータH3によって加熱された高温のグリセリンを供給する高温グリセリン槽G1と、常温のグリセリンを供給する常温グリセリン槽G2との両方を備えている。高温グリセリン槽G1には、電気炉Hと同様に、ヒータH3とサーモスタットH4とが付属し、グリセリンの温度を約185℃に保っている。
【0101】
ポンプG3は、高温または常温のグリセリンを吐出口G5に吐出する。吐出されるグリセリンの温度は、バルブG4を操作して切り換えることができる。すなわち、液体循環装置Gを使う目的に応じて、易融合金鋳込み工程P24で鋳型M1を予熱する場合は、高温のグリセリンが吐出され、易融合金冷却工程P25で未凝固鋳型M12を冷却する場合は、常温のグリセリンが吐出されるように、バルブG4を切り換える。液体循環装置Gは、電気炉Hを兼ねる構成になっていてもよい。この場合には、電気炉Hのグリセリン浴H2を液体循環装置Gの高温グリセリン槽G1として使用する。
【0102】
鋳造の前に鋳型M1の内部に置いておく補強材を作るには、いくつかの方法がある。
【0103】
一つの方法は、鋼の小片をたくさん用意し、これに易融合金Fを被覆して補強材とする方法である。鋼など鉄系の金属は易融合金Fとの親和性が強いので、補強材としての使用に特に適している。この補強材は、予め多量に作っておき、必要な分だけ使うことができる。鋼の小片の補強材は、完成立体物M3の剛性の改善に有効であるが、補強材が相互に接触していないので、強度はあまり改善されない。
【0104】
鋳型M1の容積に対する補強材の充填率を高めると、剛性をさらに改善できることになる。球状小片の充填率は50%程度であるが、片状または棒状の小片を使用し、さらに振動させながら充填すれば、充填率を70%以上にまで高めることができる。発明者らの実験によれば、相互に直交する三方向に沿って測った前記金属の小片の寸法のうち、最大の寸法と最小の寸法との比が3倍以上であるようにすると、鋳型の容積に対する補強材の充填率が高まるので、より高い剛性を持つ立体品を製造できる。
【0105】
もう一つの方法は、ステンレスなどの金属粉末を材料粉末SとするSLS法であって、完成立体物M3の形状に基づく最適な形状を持つ補強材を作る方法である。金属粉末を材料粉末SとするSLS法では、一般に造形物Wが多孔質に作られるので、これに青銅などの金属を溶浸し、造形物Wの空孔を充填して強度を高める方法がすでに実用化されている。この方法を使えば、鋳型M1の容積に対する補強材の充填率を高めることができるので、完成立体物M3の強度および剛性を同時に大きく改善できる。金属粉末を材料粉末SとするSLS法には、造形時間が長い、精度が悪いなどの欠点があるが、このように造形物Wを補強材として使用する場合には、特に問題なく利用できる。
【0106】
図14は、SLS法で作った補強材を使用する例を示す図である。補強材J4の形状は、表面形状R1を内側にオフセットさせて作成できる。すなわち、鋳型形状作成工程P12で、外形形状R2と補強材J14の形状を同時に作ることが可能である。
【0107】
不要になった完成立体物M3を融解して、易融合金Fを再生できる。この場合に、易融合金Fに混入している補強材を分離するため、専用の易融合金再生装置Uを使用すると便利である。図15は、易融合金再生装置Uの構造を示す図である。
【0108】
易融合金再生装置Uは、小穴がたくさんあいているスクリーンU1を備えており、易融合金溶融物F1と補強材とを分離する。スクリーンU1は、ヒータU2により、易融合金Fの融点以上の温度に加熱されている。スクリーンU1の上に完成立体物M3を置くと、スクリーンU1から伝わる熱で完成立体物M3が溶融し、補強材を含んだ易融合金溶融物F1に変わる。このうち易融合金溶融物F1だけがスクリーンU1の小穴から落ち、水槽U3により冷却され固体の易融合金Fとなる。
【0109】
易融合金再生装置Uも、電気炉Hを兼ねる構成になっていてもよい。この場合は、易融合金再生装置Uの水槽U3の代わりに、電気炉HのるつぼH1を置いておく。図16は、電気炉Hを兼ねるように構成した易融合金再生装置Uの構造を示す図である。
【0110】
《実施例4》
鋳型製造工程P1では、SLS造形装置Aを使用する代わりに、光造形装置やFDM造形装置など、他方式による積層造形装置を使用することも可能である。
【0111】
例えば、光造形装置においては、コンピュータ内の形状データを高さ方向に等間隔の水平面で切断し、スライス図形を作成する。次に、スライス図形データを下端から順次取り出して、その形状に基づき、光ビームを例えば光硬化性樹脂に照射し、固化層を形成する。1層の固化層を形成した後、光硬化性樹脂を搭載している台を相対的に下降させ、前記等間隔の厚さの未硬化樹脂層をその上に重ねて、順次、上端までこの操作を繰り返す。その結果、所望の鋳型が得られる。
【0112】
《実施例5》
易融合金Fとしては、ビスマス,スズ共晶合金を使用する代わりに、0.5%ないし5%の銅または0.5%ないし5%の銀を添加した材料を使用することもできる。好ましくは、2%ほどの銅または銀を添加した材料である。ビスマス,スズ共晶合金は実用的な金属材料の中では、強度および剛性が小さく、また小さい力であっても時間に比例して変形が大きくなっていくクリープが起こりやすいという問題点があった。
【0113】
しかし、易融合金Fに銅や銀を添加すると、結晶が細かくなるので、強度および剛性が大きくなるとともに、クリープも抑えられる。融点はいくらか高くなるが、問題にはならない。銅または銀が5%を越えると、融点が高くなり過ぎる一方、0.5%未満では、材料特性が改善されない。
【0114】
【発明の効果】
本発明によれば、熱可塑性材料で鋳型を作り、熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にするので、ラピッドプロトタイピングを活用して、高い強度および剛性とともに、優れた精度,表面粗さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【0115】
その際に、高温になる設備を一切使わないので、例えばデザイン事務所などの閉じた作業環境内でも、金属でできた立体品を簡便に製造できる。
【0116】
鋳型は、10回以上繰り返し使用できるから、複数の完成立体物を作る場合、鋳型平滑化工程で、鋳型の表面のうちなるべく多くの部分を平滑化しておけば、完成立体物の個数だけしなければならない鋳造品平滑化工程を省力化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による立体品製造方法Pの処理手順を示すフローチャートである。
【図2】鋳型製造工程P1のさらに詳細な処理手順を示すフローチャートである。
【図3】SLS造形工程P13で使われるSLS造形装置Aの構造を示す図である。
【図4】図3のSLS造形装置Aの動作を示す図である。
【図5】易融合金鋳造工程P2の実現方法を示すフローチャートである。
【図6】利用できる易融合金Fの組成の例を示す図表である。
【図7】鋳型取り外し工程P3を示す図である。
【図8】表面形状R1,外形形状R2,鋳型形状R3を示す図である。
【図9】モデラCの画面の一例を示す図である。
【図10】電気炉Hの構造を示す図である。
【図11】造済み鋳型M2の構造を示す図である。
【図12】型割り工程P31および型抜き工程P32で行う作業を示す図である。
【図13】液体循環装置Gの構造を示す図である。
【図14】SLS法で作った補強材を使用する例を示す図である。
【図15】易融合金再生装置Uの構造を示す図である。
【図16】電気炉Hを兼ねるように構成した易融合金再生装置Uの構造を示す図である。
【符号の説明】
A 選択的レーザ焼結(SLS)造形装置
A1 コンテナ
A2 リコータ
A3 リコータ駆動装置
A4 レーザヘッド
A5 スキャナ
A6 エレベータ
A7 エレベータ駆動装置
A8 送りネジ
A9 制御装置
C モデラ
C1 メニュー
D CADデータ
D1 表面形状データ
D2 外形形状データ
D3 鋳型形状データ
F 易融合金
F1 易融合金溶融物
G 液体循環装置
G1 高温グリセリン槽
G2 常温グリセリン槽
G3 ポンプ
G4 バルブ
G5 吐出口
H 電気炉
H1 るつぼ
H2 グリセリン浴
H3 ヒータ
H4 サーモスタット
H5 注出口
I1 てこ
I2 ハンマ
J1 土台金具
J2 固定用金具
J3 クリップ金具
J4 補強材
M1 鋳型
M11 クリーニング済み鋳型
M12 未凝固鋳型
M2 鋳造済み鋳型
M21 鋳造品
M3 完成立体品
P 立体品製造方法
P1 鋳型製造工程
P11 データ受信工程
P12 鋳型形状作成工程
P13 SLS造形工程
P2 易融合金鋳造工程
P21 鋳型クリーニング工程
P22 鋳型平滑化工程
P23 易融合金溶解工程
P24 易融合金鋳込み工程
P25 易融合金冷却工程
P3 鋳型取り外し工程
P31 型割り工程
P32 型抜き工程
P33 鋳造品平滑化工程
Q 基準点
R1 表面形状
R2 外形形状
R3 鋳型形状
S 材料粉末
U 易融合金再生装置
U1 スクリーン
U2 ヒータ
U3 水槽
T1 型分割面
T2 ビット ピン
T3 支持脚
T4 湯口
T5 空気扱き
T6 クリッピングポイント
T7 固定脚
T8 流路
W 造形物
X1 リコータ駆動信号
X2 スキャナレーザ駆動信号
X3 エレベータ駆動信号
Z ラピッドプロトタイピング周辺装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional product manufacturing method and a three-dimensional product manufacturing apparatus for parts, products, models, and the like, and more particularly, to a three-dimensional product manufacturing method and a manufacturing apparatus that require high strength and rigidity.
[0002]
[Prior art]
A technique for quickly and easily materializing computer three-dimensional data is called rapid prototyping (RP). A photo-fabrication method in which a liquid synthetic resin is exposed to cause a photochemical reaction to be partially solidified, or a selective laser sintering method (SLS method) in which a powder is irradiated with a laser beam to be partially solidified. Is well known. The details of rapid prototyping are described in, for example, Takeo Nakagawa and Yoji Marutani “Multilayer Modeling System” (Industry Research Committee).
[0003]
Generally, in rapid prototyping, a large number of thin layers having a thickness of 10 μm to 1 mm are stacked and formed, so that even complicated shapes can be created without changing the process. Taking advantage of this feature, for example, if rapid prototyping is introduced into a design work that optimizes the shape of a part while repeating an experiment, an experimental model can be manufactured at any cost from 3D CAD data at any time. become. In other words, design work can be shifted to a form centered on three-dimensional CAD, and so-called concurrent can be achieved.
[0004]
In addition, it is possible to realize custom design production that increases the added value of the product by producing a single product according to demand by leaving the design of the product to the user.
[0005]
However, conventional rapid prototyping materials do not necessarily have sufficiently high strength and rigidity to withstand use as a product casing or experimental model.
[0006]
To solve these problems, there is a method of post-processing the shaped object and replacing the rapid prototyping resin material with metal. Often used is a method called disappearance model casting (investment casting). In this method, a model formed by rapid prototyping is embedded in foundry sand, and molten metal is poured from above. Then, the shaped object is decomposed by the heat into gas or melted and soaked into sand, and the shape of the shaped object is replaced with metal as it is.
[0007]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-195141 discloses a method of manufacturing a model by an optical modeling method, immersing the model in a ceramic slurry, sprinkling refractory particles, and then melting and removing the model to quickly make a mold. Is shown.
[0008]
In addition, a method is also used in which a metal powder such as stainless steel is formed as a material of the SLS method and finished by infiltrating copper or the like with a resin or the like.
[0009]
According to these methods, it is possible to make a shaped object having higher strength and rigidity than a shaped object made only of a resin material.
[0010]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-156514 discloses that a three-dimensional shape body is formed with an optical modeling apparatus using a metal powder having a surface coated with a thermoplastic resin as a raw material, and a sand is applied thereto to form a shell. A method of impregnating a shaped body with molten metal is shown.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
All of the conventional techniques require large-scale facilities for post-processing. In the vanishing model casting method, equipment for heating and melting the metal at a temperature of 600 ° C. or higher is required. Moreover, in the SLS method using a metal powder, the equipment for infiltration which keeps a high temperature for a long time and the pressurization and pressure reduction equipment at the time of making a resin penetrate | infiltrate a modeling thing are required.
[0012]
These facilities required considerable skill to operate. It is conceivable to use facilities owned by other companies, but in that case, it takes time for logistics, and the simplicity and speediness characteristic of rapid prototyping are impaired.
[0013]
Moreover, in the said prior art, the precision and surface roughness of a molded article were inferior. Therefore, when a model with a smooth surface or a model with high accuracy is required, a great deal of labor and time are required for finishing, and there is still a problem in terms of simplicity and speed.
[0014]
An object of the present invention is to provide a three-dimensional product manufacturing method and a three-dimensional product manufacturing apparatus that can rapidly and easily manufacture a three-dimensional product having high strength and rigidity, excellent accuracy, and surface roughness by utilizing rapid prototyping. is there.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a mold manufacturing process in which a mold is made of a thermoplastic material, and an easily fused gold melted at a temperature lower than the softening point of the thermoplastic material is poured into the mold and solidified for casting. 3D product manufacturing method including easy fusion gold casting process to make product and mold removing process of dividing mold and removing casting product as target 3D product In the mold shape design apparatus for supporting the mold shape creation in the above, an offset mold creation means for creating the outer shape of the mold by offsetting all or part of the shape of the target three-dimensional product outward is provided. In this way, if a mold is made of a thermoplastic material, and an easily fused gold melted at a temperature lower than the softening point of the thermoplastic material is poured into the mold and solidified into a cast product, rapid prototyping is utilized, which is high. A solid product having excellent accuracy and surface roughness as well as strength and rigidity can be quickly and easily manufactured.
[0016]
The thermoplastic material is a resin material or a composite material of resin, and the mold manufacturing process is a selective laser in which the powder of the thermoplastic material is partially sintered to form a thin layer and the thin layer is stacked to form the mold. A sintering method (SLS method) modeling step can be included. In this case, a three-dimensional product having a complicated three-dimensional shape can be manufactured without making the process complicated by utilizing a commercially available modeling apparatus.
[0017]
When the thermoplastic material is a composite material including a resin and inorganic material beads, it is possible to suppress the deformation of the mold that occurs during casting and to manufacture a highly accurate three-dimensional product. If the thickness of the mold is reduced, the time for cooling the mold in which the easy fusion gold is cast is shortened. In this sense, a three-dimensional product can be manufactured quickly.
[0018]
Desirably, the thermal conductivity of the inorganic material beads is larger than the thermal conductivity of the resin. This is because the time required for cooling the mold in which the easy fusion gold is cast can be shortened and a three-dimensional product can be manufactured more rapidly.
[0019]
In any three-dimensional product manufacturing method, the mold manufacturing process can include a mold smoothing process for smoothing the surface of the mold. Since the surface of the mold needs to be smoothed only once, the trouble of smoothing the surfaces of a plurality of three-dimensional products having the same shape can be saved, and a large number of three-dimensional products with smooth surfaces can be produced quickly and easily.
[0020]
The mold removing step may include a cast product smoothing step of smoothing the surface of the cast product. In general, since a concave portion that is difficult to reach in the smoothing process of the mold becomes a convex part in the smoothing process of the cast product, a three-dimensional product having a smooth all surface can be manufactured quickly and easily.
[0021]
The mold manufacturing process includes a process of forming a flow path for heat exchange inside the mold, and the easy fusion casting process includes a mold cooling process of circulating a cooling fluid through the flow path to cool the mold. May include. With this method, it is possible to quickly manufacture a three-dimensional product having a high strength and being difficult to be deformed by creep, by shortening the time for cooling the mold in which the easy fusion gold is cast, improving the material characteristics of the easy fusion gold.
[0022]
The easy fusion gold casting step may include a reinforcing material installation step in which a reinforcing material is placed in the mold before pouring the easy fusion gold into the mold, and a three-dimensional product having high strength and rigidity can be manufactured.
[0023]
The mold manufacturing process includes a process of forming a flow path for heat exchange inside the mold, and the easy-fusion gold casting process heats the mold by circulating a heating fluid through the flow path. Can also be included. It is possible to avoid defects caused by non-uniform solidification of easily fused gold in contact with a normal temperature reinforcing material, and reliably manufacture a three-dimensional product having high strength and rigidity.
[0024]
If a metal piece having a melting point higher than that of the easily fused gold is used as the reinforcing material, a three-dimensional product having higher strength and rigidity can be manufactured.
[0025]
In the case of including a reinforcing material forming step in which a metal powder having a melting point higher than that of the easily fused metal is partially sintered to form a thin layer and the thin layer is stacked, the filling rate of the reinforcing material with respect to the mold volume The three-dimensional product having particularly high strength and rigidity can be manufactured.
[0026]
By including a reinforcing material infiltration step in which metal is infiltrated into the porous reinforcing material, a three-dimensional product having particularly high strength and rigidity can be quickly and easily manufactured using a commercially available modeling apparatus.
[0027]
If the mold removal process includes the process of applying impact or vibration to the mold to separate the mold and the cast product, the three-dimensional product stuck in the mold can be easily taken out, and a three-dimensional product with a complicated and fragile shape can be obtained. Simple and reliable production.
[0028]
Including an offset mold shape creation step in which the shape of the mold is created by offsetting all or part of the shape of the target three-dimensional product can suppress the deformation of the mold during casting and manufacture a highly accurate three-dimensional product.
[0029]
A mold shape design device equipped with an offset mold creating means for offsetting all or part of the shape of the target three-dimensional product outward to create the outer shape of the mold, or aligning the molds divided into a plurality of each other A mold shape design device provided with a mold matching shape creation means for creating a partial shape for carrying out, or a cage fixed shape creation means for creating a partial shape for fixing the mold to a cage that suppresses deformation of the mold If a mold shape design apparatus equipped with is used, a highly accurate three-dimensional product can be quickly and easily manufactured while saving the trouble of shape operation.
[0030]
If the flow path forming means for adding the shape of the flow path to the shape of the mold is provided, a three-dimensional product having high strength and rigidity can be quickly and reliably manufactured without the need for shape operation.
[0031]
When the reinforcing material shape creating means for creating the shape of the reinforcing material based on the shape of the target three-dimensional product is provided, it is possible to manufacture a three-dimensional product having particularly high strength and rigidity while saving time and effort of shape operation.
[0032]
When equipped with a temperature controller that keeps the molten easy fusion gold at a temperature 5 to 20 ° C. lower than the softening point of the thermoplastic material, melting while adjusting the temperature of the easy fusion gold so that the mold does not deform by casting. It is possible to manufacture a three-dimensional product simply and safely without the trouble of carrying out.
[0033]
If a temperature controller that keeps the heating fluid at a temperature lower than the softening point of the thermoplastic material and higher than the melting point of the easily fused gold, and a pump that discharges the heating fluid into the flow path, a reinforcing material is provided. Therefore, it is possible to easily and reliably manufacture a three-dimensional product having high strength and rigidity by eliminating the trouble of preparing and flowing a liquid for preheating the casting mold.
[0034]
If the heating fluid is polyhydric alcohol or a mixture containing polyhydric alcohol as the main component, the liquid used to preheat the mold does not cause environmental pollution, and a solid product with high strength and rigidity is safe and simple. Can be manufactured reliably.
[0035]
A temperature controller that maintains the heating fluid at a temperature lower than the softening point of the thermoplastic material and higher than the melting point of the easily fused gold, and a pump that discharges the heating fluid or the cooling fluid into the flow path And a valve for switching the discharge of the heating fluid or the cooling fluid to one of the flow paths, a liquid discharge port for preheating the mold, and a liquid discharge for cooling the mold This eliminates the need to reconnect the outlets, and enables the manufacture of highly rigid three-dimensional products that are safe, simple, reliable and quick.
[0036]
Employing a small piece of metal coated with easy fusion gold saves the trouble of preparing a reinforcing material in accordance with the shape of the three-dimensional product, and can quickly and easily produce a three-dimensional product with high rigidity.
[0037]
When the metal is iron or an iron-based alloy, the affinity between the reinforcing material and the easily fused gold is increased, so that a three-dimensional product having high strength and rigidity can be manufactured quickly and easily.
[0038]
If the ratio of the largest dimension to the smallest dimension among the dimensions of the metal pieces measured along three directions orthogonal to each other is three times or more, the filling rate of the reinforcing material with respect to the volume of the mold is increased. Since it increases, a three-dimensional product with higher rigidity can be manufactured.
[0039]
When equipped with a screen that separates the reinforcing material from the meltable fusion metal, the fusion metal can be reused, and a three-dimensional product having high strength and rigidity can be manufactured quickly, simply, and at low cost.
[0040]
The easy-to-use financial solution that also serves as a heated fluid circulation device can reduce the size and price of the required equipment, and can quickly and easily produce a three-dimensional product with high strength and rigidity at a low price.
[0041]
In the easy-to-fuse financial solution that also serves as the easy-to-fuse gold recycling device, the required equipment can be reduced in size and price, and a three-dimensional product with high strength and rigidity can be manufactured quickly, simply, and at low cost.
[0042]
By adopting easy fusion gold containing bismuth and tin as main components, easy fusion gold is less likely to cause environmental pollution, and a three-dimensional product with high strength and rigidity can be manufactured safely, simply and reliably.
[0043]
In addition, if 0.5% to 5% copper or 0.5% to 5% silver is included in the easily fused gold, the material properties of the easily fused gold are improved, and it has high strength and rigidity, and is deformed by creep. Can be manufactured safely, easily and reliably.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, with reference to FIGS. 1-16, the Example of the three-dimensional goods manufacturing method and three-dimensional goods manufacturing apparatus by this invention is demonstrated.
[0045]
Example 1
FIG. 1 is a flowchart showing a processing procedure of a three-dimensional product manufacturing method P according to the present invention. A three-dimensional product manufacturing method P for manufacturing a completed three-dimensional product M3 from CAD data D describing the shape of a target three-dimensional product includes a mold manufacturing process P1, an easy fusion gold casting process P2, and a mold removing process P3. .
[0046]
The mold manufacturing process P1 is a process of making the mold M1 by the SLS method based on the CAD data D. The easy fusion gold casting step P2 is a step of pouring molten easy fusion gold into the mold M1 and then cooling and solidifying it. The mold M1 in which easy-fusion gold is cast is referred to as a cast mold M2. The mold removal process P3 is a process of removing the mold M1 from the cast mold M2 and leaving a finished three-dimensional product M3 made of easy-fusion gold.
[0047]
FIG. 2 is a flowchart showing a more detailed processing procedure of the mold manufacturing process P1. The data receiving step P11 is a step of receiving CAD data D that is a solid model from a connected computer and converting the solid model into surface shape data D1 that is a surface model.
[0048]
The mold shape creation process P12 is a process in which the surface shape data D1 is offset to create the external shape data D2, and these are combined to create the mold shape data D3.
[0049]
The mold shape data D3 is also added with a partial shape such as a mold dividing surface T1 that is necessary for using the molded article W as the mold M1.
[0050]
The SLS modeling process P13 is a process for manufacturing the mold M1 having the shape described by the mold shape data D3 by the SLS method.
[0051]
FIG. 3 is a diagram illustrating the structure of the SLS modeling apparatus A used in the SLS modeling process P13. The SLS modeling apparatus A includes a container A1 that holds the material powder S, a recoater A2 that flattens the surface of the material powder S, a recoater driving device A3 that rotates the feed screw A8 to reciprocate the recoater A2, and the material powder S. A laser head A4 that irradiates the surface with a laser beam, a scanner A5 that scans the laser head A4 back and forth, and right and left, an elevator A6 that supports a material powder S and a modeled article W, and an elevator drive that moves the elevator A6 up and down It is comprised by apparatus A7 and control apparatus A9 which controls operation | movement of the SLS modeling apparatus A entirely.
[0052]
The recoater driving signal X1 is a signal for operating the recoater driving device A3 and supplying power. The scanner / laser drive signal X2 is a signal for controlling the scanning path of the laser head A4 and the blinking of the laser beam to supply electric power. The elevator drive signal X3 is a signal that controls the operation of the elevator A6 and supplies electric power.
[0053]
FIG. 4 is a diagram showing the operation of the SLS modeling apparatus A of FIG. The SLS modeling apparatus A irradiates the surface of the flattened material powder S while scanning the laser beam to sinter the material powder S, and has a cross-sectional shape of the modeled object W described by the mold shape data D3. Make a layer. Then, a large number of layers are stacked to create a shaped object W having a target three-dimensional shape.
[0054]
When receiving the mold shape data D3, the control device A9 generates the three-dimensional data having the three-dimensional shape of the modeled object W based on the data D3. Next, in order to laminate, the intersection of this three-dimensional data and the horizontal plane at the height of each layer is calculated, the cross-sectional shape of the modeled object W is calculated, and for each layer, the recoater drive signal X1, scanner, laser drive Signal X2 and elevator drive signal X3 are automatically generated.
[0055]
With these drive signals, the SLS modeling apparatus A places the material powder S on the elevator A6 or the modeled object W, reciprocates the recoater A2, and flattens the surface of the material powder S. The surface of the material powder S is irradiated with a laser beam from the laser head A4.
[0056]
The scanner A5 scans the laser head A4 along the cross section of the modeled object W. The material powder S is sintered by the laser beam to form a thin layer.
[0057]
The elevator A6 is lowered by the thickness of one layer, and is prepared for stacking a new layer on the model W.
[0058]
By such an operation, a mold M1 is finally made.
[0059]
The commercially available SLS modeling apparatus A uses nylon powder as the material powder S. Nylon, which is a highly crystalline polymer, has a sharp softening point that can be regarded as a melting point, and its temperature is about 190 ° C. Since this softening point temperature is sufficiently high with respect to the melting point of the easily fused gold which is 160 ° C. or less, it can be used as a mold for casting the easily fused gold as the molded article W.
[0060]
FIG. 5 is a flowchart showing a method for realizing the easy fusion casting process P2. The mold cleaning process P21 is a process for removing the material powder S remaining inside the mold M1 and the material powder S adhering to the mold M1 to produce a cleaned mold M11.
[0061]
The mold smoothing process P22 is a process of smoothing a step appearing on the surface of the cleaned mold M11 when the mold M1 is laminated and manufactured by polishing or painting.
[0062]
The easy fusion gold melting step P23 is a step of heating and melting the easy fusion gold F so as not to exceed the melting point of the material of the mold M1 to provide the easy fusion gold melt F1.
[0063]
FIG. 6 is a chart showing an example of the composition of easy-to-use gold F that can be used. Among these easily fused gold F, those containing cadmium and lead are difficult to use, so bismuth, tin eutectic alloys and the like having a melting point of 138 ° C. are practical materials. Since the melting point of the easy fusion gold F is low, a large-scale casting facility is unnecessary. The easy fusion gold casting step P24 is a step of casting the easy fusion gold melt F1 into the cleaned mold M11 to make an unsolidified mold M12.
[0064]
The easy fusion gold cooling step P25 is a step of cooling the unsolidified mold M12 and solidifying the cast easy fusion gold melt F1 to produce a cast mold M2.
[0065]
FIG. 7 is a diagram showing the mold removing step P3. The cast product smoothing step P33 is a step of smoothing the surface of the cast product M21 by polishing or painting to obtain a finished three-dimensional product M3.
[0066]
The mold splitting process P31 is a process of dividing the mold M1 surrounding the cast mold M2 by a mold dividing surface and taking out the cast product M21.
[0067]
The die cutting process P32 is a process of removing the divided mold M1 from the casting M21 stuck in the mold M1. Depending on the shape of the casting M21 and the mold dividing surface T1, the mold M1 may not easily come off from the casting M21. In such a case, a die cutting process P32 is required in addition to the mold splitting process P31.
[0068]
According to such a three-dimensional product manufacturing method P, a completed three-dimensional product M3 made of easy-to-fuse gold F is produced. The strength of the easily fused gold F expressed by tensile strength is about 60 MPa, and the rigidity expressed by Young's modulus is about 30 GPa. When these values are compared with nylon used in a commercially available SLS modeling apparatus, the strength is about 3 times and the rigidity is about 15 times.
[0069]
The finished three-dimensional product M3 made of the easily fused gold F can be easily smoothed by polishing and painting. Further, the three-dimensional product manufacturing method P does not include a process that requires large-scale equipment. Therefore, when the three-dimensional product manufacturing method P is used, rapid prototyping can be used to quickly and easily manufacture a three-dimensional product having not only high strength and rigidity but also excellent accuracy and surface roughness.
[0070]
Next, the three-dimensional product manufacturing method P will be described in detail with an example. In this example, a figurine used as an interior is created. The solid cedar shape is described by CAD data D prepared in advance.
[0071]
In the data reception process P11, the CAD data D is converted into a surface model to create surface shape data D1. FIG. 8A schematically shows the surface shape R1 described by the surface shape data D1.
[0072]
In the mold shape creation step P12, the outer shape data D2 is created by offsetting the surface shape data D1 to the outside. FIG. 8B is a diagram schematically showing the outer shape R2 described by the outer shape data D2. Further, the surface shape R1 is subtracted from the outer shape R2 to form a shell shape having a substantially uniform thickness. If the thickness of the mold M1 is made uniform, deformation of the mold M1 caused by a temperature change during casting can be minimized.
[0073]
Various partial shapes necessary for using the modeled object W as the mold M1 are added to the shell shape thus created to create a mold shape R3. The partial shape includes a mold dividing surface T1 for dividing the mold M1 into a plurality of pieces, a bit pin T2 for aligning the position of the mold M1, a support leg T3 for holding the mold M1 vertically, and an easy fusion gold fusion to the mold M1. The spout T4 for pouring the material F1, the air vent T5 for replacing the air in the mold M1 with the easily fused gold melt F1, the clipping point T6 for assembling the divided mold M1 with clip fittings, and the deformation of the mold M1 A fixing leg T7 for attaching to a fixing metal fitting for suppressing the above, a flow path T8 for flowing a liquid for heating or cooling the mold M1, and the like are included. FIG. 8C shows the mold shape R3 described by the mold shape R3 data.
[0074]
The shape operation for creating the mold shape R from the CAD data D is usually performed manually by a CAD operator. In order to support this, Modeler C is prepared as dedicated CAD software. The modeler C automatically or extremely performs operations for offsetting the surface shape R1 to create the outer shape data D2 and the shell shape, determining the mold dividing surface T1, and adding various partial shapes to the shell shape. It has commands to make it easy.
[0075]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the modeler C screen. The command of the modeler C is registered in the menu C1, and the CAD operator can execute a complicated shape operation with a simple operation using these commands. For example, the “outer shape” command is a command for generating a new three-dimensional shape by offsetting the selected three-dimensional shape to the outside.
[0076]
Therefore, if the “outer shape” command is executed after selecting the surface shape R1, the outer shape R2 can be easily created. If the “shell shape” command is executed after selecting the outer shape R2 and the surface shape R1, the shape can be easily created. Furthermore, if a reference point Q is set on the surface of the shell shape as shown in the screen, and then the “pouring gate” command is executed, the pouring gate T4 is added thereto.
[0077]
In the SLS modeling process P13, the mold shape data D3 is transmitted to the commercially available SLS modeling apparatus A, and the molded object W having the mold shape R3 as a three-dimensional shape, that is, the mold M1 is created.
[0078]
In the mold cleaning process P21, the mold M1 is inverted and vibrated, and the material powder S clogged in the mold M1 is dropped. The material powder S adhering to the inner surface of the mold M1 is removed by inserting a thin rubber tube into the mold M1 and blowing air from its end face. In this way, a cleaned mold M11 is made.
[0079]
In the mold smoothing step P22, the inner surface of the cleaned mold M11 is smoothed to a predetermined surface roughness. As a smoothing method, there are a polishing method that removes the convex portion of the step using a paper file, a coating method that fills the concave portion of the step using a filling paint, and a method that uses both of them.
[0080]
In the easy fusion gold melting step P23, it is convenient to use a dedicated electric furnace H in order to melt the easy fusion gold F and keep it at an appropriate temperature.
[0081]
FIG. 10 is a diagram showing the structure of the electric furnace H. The crucible H1 contains a bismuth-tin eutectic alloy having a melting point of 138 ° C., and is melted by the heat generated by the heater H3 to form an easily fused gold melt F1. The easily fused gold melt F1 is easily oxidized by oxygen in the air when heated. Therefore, the glycerin bath H2 is used and the crucible H1 is indirectly heated to prevent overheating of the easily fused gold melt F1.
[0082]
A thermostat H4 for controlling energization to the heater H3 is attached to the glycerin bath H2. When the temperature of glycerin exceeds a predetermined set temperature due to the heat generated by the heater H3, the thermostat H4 operates to stop energizing the heater H3. The temperature of the glycerin bath H2 and the easily fused gold melt F1 is maintained at the set temperature of the thermostat H4. The optimum set temperature of the thermostat H4 varies depending on the material of the mold M1. Usually, the temperature is set 5 to 20 ° C. lower than the softening point. Instead of glycerin, a polyhydric alcohol such as ethylene glycol may be employed.
[0083]
When nylon is used as the material powder S, the set temperature may be set to 185 ° C. considering that the softening point is about 190 ° C. Nylon has a sharp softening point, so it hardly softens even at 185 ° C.
[0084]
Note that the spout H5 of the electric furnace H is attached to the bottom of the crucible H1, so that the oxide floating on the surface of the easily fused gold melt F1 does not flow into the mold M1 from the spout H5. ing.
[0085]
In the easy-fusion gold casting step P24, first, the cleaned mold M11 divided into a plurality of parts is assembled by attaching the clip metal fitting J3 to the clipping point T6, and the support leg T3 is fixed to the base metal fitting J1 and supported vertically. . Further, a fixing leg T7 is attached to the fixing metal fitting J2 attached to the base metal fitting J1, and deformation of the mold M1 due to casting is suppressed. This is placed so that the sprue T4 comes directly below the spout H5 of the electric furnace H, and the easy fusion metal F is poured from above.
[0086]
In the easy fusion gold cooling step P25, the unsolidified mold M12 is allowed to cool for a while to solidify the easy fusion gold melt F1. FIG. 11 is a diagram showing the structure of the cast mold M2 thus produced.
[0087]
In the mold splitting process P31, the casting M21 is taken out by a method in which the mold I1 is inserted in the gap of the mold M1 surrounding the cast mold M2 and twisted to remove the divided mold M1. When nylon is used as the material of the mold M1, it is not necessary to use a release agent or the like because the affinity between the nylon and the easily fused gold F is very small.
[0088]
However, depending on the shape of the cast product M21 and the mold dividing surface T1, the cast product M21 may get stuck in the divided mold M1 and may be difficult to take out. In the die-cutting process P32, the mold M1 is held so that the cast product M21 that is stuck is facing upward, and the portion of the mold M1 around the cast product M21 is hit with a hammer I2. If it does in this way, the casting M21 will come out from the casting_mold | template M1 due to the difference in the density of nylon and the easy-to-fuse gold F.
[0089]
Nylon, which is the material of the mold M1, is not easily broken against impact and vibration, but slightly elastically deforms when a large force is applied. Therefore, in many cases, this method can be used to separate the casting M21 from the mold M1 without breaking it. FIG. 12 is a diagram illustrating operations performed in the mold splitting process P31 and the mold cutting process P32.
[0090]
In the casting smoothing step P33, the surface of the casting M21 is smoothed to a predetermined surface roughness by polishing or painting. Even in the mold smoothing step P22, the inner surface of the mold M1 is smoothed, but it is difficult to sufficiently smooth the concave portion of the mold M1 that is difficult to reach.
[0091]
However, since the concave portion of the mold M1 becomes a convex portion of the cast product M21 by casting, the concave portion that has not been sufficiently smoothed in the mold smoothing step P22 is sufficiently polished and painted in the cast product smoothing step P33. Can be smoothed. By combining the mold smoothing step P22 and the cast product smoothing step P33 as described above, the entire surface of the cast product M21 can be sufficiently smoothed.
[0092]
The mold M1 removed in the mold splitting process P31 and the mold cutting process P32 can be used repeatedly 10 times or more. This ability to be used repeatedly is one of the features of the present invention. Therefore, when making a plurality of finished solid objects M3, if as many parts of the surface of the mold M1 as possible are smoothed in the mold smoothing step P22, the number of finished solid objects M3 must be smooth. The process P33 can be labor-saving.
[0093]
Example 2
If beads of an inorganic material such as glass are mixed with the material powder S, the strength and rigidity of the mold M1 can be increased, and deformation during casting can be suppressed. Further, the thickness of the mold M1 can be reduced, and heat can be easily radiated. This shortens the time for cooling the unsolidified mold M12 in the easy fusion gold cooling step P25, and the completed three-dimensional object M3 is obtained more quickly.
[0094]
In addition, if beads made of a material having a high thermal conductivity such as metal are used, the time for cooling the unsolidified mold M12 can be further shortened.
[0095]
Example 3
When forming the mold M1 in the mold manufacturing process P1, if a flow path for heat exchange is formed inside the mold M1, the flow of the unsolidified mold M12 in the easy fusion cooling process P25 is accelerated. A cooling liquid can flow through the passage. Unlike the method of reducing the thickness of the mold M1, this method can freely control the solidification time of the easily fused gold melt F1. Therefore, the casting M21 having a complicated shape can be accurately produced. Moreover, since the easily fused gold melt F1 can be rapidly solidified, the crystals of the easily fused gold F used as the material of the casting M21 become finer, and the material characteristics of the casting M21 are improved.
[0096]
Further, as a method for further increasing the strength and rigidity of the finished three-dimensional product M3, there is a method in which a reinforcing material is made of a metal having a melting point higher than that of the easily fusible metal F and placed in the mold M1 in advance before casting. However, in this method, when the ratio of the volume of the reinforcing material to the volume of the mold M1 is large, the cast easily fused gold melt F1 is cooled in contact with the normal temperature reinforcing material and solidifies unevenly. Therefore, casting is not performed well.
[0097]
For this, a method in which the reinforcing material and the mold M1 are preheated to a temperature higher than the melting point of the easy fusion metal F in advance is effective. Also in this case, if the flow path is formed inside the mold M1, the mold M1 can be preheated by flowing a heating liquid through the flow path before casting the easily fused gold melt F1.
[0098]
In order to support a shape operation for forming a flow path inside the mold M1, a dedicated “flow path” command is registered in the modeler C used in the mold shape creation step P12. This command defines an intermediate surface between the inner surface and the outer surface of the mold M1 so that the ratio of the distance to the inner surface and the distance to the outer surface is constant, and generates a flow path T8 along the intermediate surface. Also, joints are provided at the inlet and outlet of the flow path T8 so that tubes can be connected.
[0099]
It is convenient to use the liquid circulation device G in order to flow the cooling or heating liquid through the flow path formed inside the mold M1.
[0100]
FIG. 13 is a diagram showing the structure of the liquid circulation device G. The liquid circulation device G includes both a high-temperature glycerin tank G1 that supplies high-temperature glycerin heated by the heater H3 and a normal-temperature glycerin tank G2 that supplies normal-temperature glycerin. Like the electric furnace H, the high-temperature glycerin tank G1 is provided with a heater H3 and a thermostat H4, and the temperature of glycerin is maintained at about 185 ° C.
[0101]
The pump G3 discharges high temperature or normal temperature glycerin to the discharge port G5. The temperature of the discharged glycerin can be switched by operating the valve G4. That is, according to the purpose of using the liquid circulation device G, when pre-heating the mold M1 in the easy-fusion gold casting step P24, high-temperature glycerin is discharged, and when cooling the unsolidified mold M12 in the easy-fusion gold cooling step P25. Switches the valve G4 so that normal temperature glycerin is discharged. The liquid circulation device G may be configured to also serve as the electric furnace H. In this case, the glycerin bath H2 of the electric furnace H is used as the high-temperature glycerin tank G1 of the liquid circulation device G.
[0102]
There are several ways to make a reinforcement that will be placed inside the mold M1 before casting.
[0103]
One method is a method in which a large number of small pieces of steel are prepared, and this is covered with an easy-to-fuse gold F to form a reinforcing material. Iron-based metals such as steel are particularly suitable for use as reinforcing materials because they have a strong affinity with the easily fused gold F. This reinforcing material can be made in large quantities in advance and used as much as necessary. The reinforcing material of the steel piece is effective in improving the rigidity of the finished three-dimensional object M3, but the strength is not improved so much because the reinforcing materials are not in contact with each other.
[0104]
When the filling rate of the reinforcing material with respect to the volume of the mold M1 is increased, the rigidity can be further improved. The filling rate of the spherical small pieces is about 50%, but the filling rate can be increased to 70% or more by using a piece-like or rod-like small piece and further filling while vibrating. According to the inventors' experiment, when the ratio of the largest dimension to the smallest dimension among the dimensions of the metal piece measured along three directions orthogonal to each other is three times or more, the mold Since the filling rate of the reinforcing material with respect to the volume increases, a three-dimensional product with higher rigidity can be manufactured.
[0105]
Another method is an SLS method in which a metal powder such as stainless steel is used as the material powder S, and is a method of making a reinforcing material having an optimum shape based on the shape of the completed three-dimensional object M3. In the SLS method using the metal powder as the material powder S, generally, the shaped object W is made porous. Therefore, there is already a method in which a metal such as bronze is infiltrated into this and the pores of the shaped object W are filled to increase the strength. It has been put into practical use. If this method is used, since the filling rate of the reinforcing material with respect to the volume of the mold M1 can be increased, the strength and rigidity of the completed three-dimensional object M3 can be greatly improved at the same time. The SLS method using the metal powder as the material powder S has drawbacks such as a long modeling time and poor accuracy. However, when the model W is used as a reinforcing material, it can be used without any particular problem.
[0106]
FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which a reinforcing material made by the SLS method is used. The shape of the reinforcing material J4 can be created by offsetting the surface shape R1 inward. That is, it is possible to simultaneously create the outer shape R2 and the shape of the reinforcing material J14 in the mold shape creation step P12.
[0107]
The completed three-dimensional object M3 that has become unnecessary can be melted to regenerate the easily fused gold F. In this case, in order to separate the reinforcing material mixed in the easy fusion money F, it is convenient to use a dedicated easy fusion money reproducing device U. FIG. 15 is a diagram illustrating the structure of the easy-to-fuse money reproducing apparatus U.
[0108]
The easily fused gold recycling apparatus U includes a screen U1 having many small holes, and separates the easily fused gold melt F1 and the reinforcing material. The screen U1 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the easily fused gold F by the heater U2. When the completed three-dimensional object M3 is placed on the screen U1, the completed three-dimensional object M3 is melted by the heat transmitted from the screen U1, and is changed to an easily fused gold melt F1 including a reinforcing material. Among them, only the easily fused gold melt F1 falls from the small hole of the screen U1, and is cooled by the water tank U3 to become the solid easily fused gold F.
[0109]
The easily fused gold recycling apparatus U may also be configured to serve as the electric furnace H. In this case, the crucible H1 of the electric furnace H is placed in place of the water tank U3 of the easy-fusion regenerator U. FIG. 16 is a diagram showing the structure of the easily fused gold recycling apparatus U configured to serve also as the electric furnace H.
[0110]
Example 4
In the mold manufacturing process P1, instead of using the SLS modeling apparatus A, it is also possible to use a layered modeling apparatus of another method such as an optical modeling apparatus or an FDM modeling apparatus.
[0111]
For example, in an optical modeling apparatus, shape data in a computer is cut along horizontal planes at equal intervals in the height direction to create slice figures. Next, slice graphic data is sequentially extracted from the lower end, and based on the shape, a light beam, for example, is applied to a photocurable resin to form a solidified layer. After forming the solidified layer of one layer, the stage on which the photocurable resin is mounted is relatively lowered, and the uncured resin layer having the same interval thickness is overlaid thereon, and this is sequentially extended to the upper end. Repeat the operation. As a result, a desired template is obtained.
[0112]
Example 5
As the easily fused gold F, instead of using a bismuth-tin eutectic alloy, a material to which 0.5% to 5% copper or 0.5% to 5% silver is added can also be used. A material to which about 2% copper or silver is added is preferable. Bismuth and tin eutectic alloys have problems in that they are low in strength and rigidity among practical metal materials, and creep is likely to increase in proportion to time even with a small force. .
[0113]
However, when copper or silver is added to the easily fused gold F, the crystals become finer, so that strength and rigidity are increased and creep is also suppressed. The melting point will be somewhat higher but not a problem. If copper or silver exceeds 5%, the melting point becomes too high, whereas if it is less than 0.5%, the material properties are not improved.
[0114]
【The invention's effect】
According to the present invention, a mold is made of a thermoplastic material, and an easily fused gold melted at a temperature lower than the softening point of the thermoplastic material is poured into the mold to be solidified into a cast product. Therefore, rapid prototyping is utilized. Thus, it is possible to quickly and easily manufacture a three-dimensional product having high strength and rigidity, as well as excellent accuracy and surface roughness.
[0115]
At this time, since no equipment that becomes hot is used, a three-dimensional product made of metal can be easily manufactured even in a closed work environment such as a design office.
[0116]
Since the mold can be used repeatedly more than 10 times, when making a plurality of finished solid objects, if the surface of the mold is smoothed as much as possible in the mold smoothing step, the number of finished solid objects must be as many as possible. It is possible to save labor in the casting smoothing process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a processing procedure of a three-dimensional product manufacturing method P according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a more detailed processing procedure of a mold manufacturing process P1.
FIG. 3 is a diagram showing a structure of an SLS modeling apparatus A used in an SLS modeling process P13.
FIG. 4 is a diagram illustrating an operation of the SLS modeling apparatus A of FIG.
FIG. 5 is a flowchart showing a method of realizing the easy fusion gold casting step P2.
FIG. 6 is a chart showing an example of the composition of easy-to-use gold F that can be used.
FIG. 7 is a diagram showing a mold removing step P3.
FIG. 8 is a diagram showing a surface shape R1, an outer shape R2, and a mold shape R3.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a modeler C screen;
10 is a view showing a structure of an electric furnace H. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing the structure of a pre-made mold M2.
FIG. 12 is a diagram showing operations performed in a mold splitting process P31 and a mold cutting process P32.
13 is a view showing a structure of a liquid circulation device G. FIG.
FIG. 14 is a diagram showing an example in which a reinforcing material made by the SLS method is used.
FIG. 15 is a diagram showing a structure of the easy-to-fuse money reproducing apparatus U.
FIG. 16 is a diagram showing a structure of an easily fused gold recycling apparatus U configured to also serve as an electric furnace H.
[Explanation of symbols]
A selective laser sintering (SLS) modeling equipment
A1 container
A2 Recoater
A3 Recoater drive
A4 laser head
A5 scanner
A6 elevator
A7 Elevator drive device
A8 Lead screw
A9 Control device
C Modeler
C1 menu
D CAD data
D1 Surface shape data
D2 Outline shape data
D3 Mold shape data
F easy fusion money
F1 Fused gold melt
G Liquid circulation device
G1 High temperature glycerin tank
G2 room temperature glycerin tank
G3 pump
G4 valve
G5 outlet
H Electric furnace
H1 crucible
H2 Glycerin bath
H3 heater
H4 thermostat
H5 outlet
I1 leverage
I2 hammer
J1 mounting bracket
J2 Fixing bracket
J3 clip metal fittings
J4 reinforcement
M1 mold
M11 Cleaned mold
M12 Unsolidified mold
M2 cast mold
M21 casting
M3 finished solid product
P Three-dimensional product manufacturing method
P1 mold manufacturing process
P11 data reception process
P12 Mold shape creation process
P13 SLS modeling process
P2 easy fusion gold casting process
P21 Mold cleaning process
P22 Mold smoothing process
P23 Fused gold dissolution process
P24 Easy fusion gold casting process
P25 Easy fusion gold cooling process
P3 mold removal process
P31 parting process
P32 die cutting process
P33 Casting smoothing process
Q reference point
R1 surface shape
R2 external shape
R3 mold shape
S material powder
U easy-to-use gold recycling device
U1 screen
U2 heater
U3 water tank
T1 type dividing surface
T2 bit pin
T3 support leg
T4 Yuguchi
T5 air handling
T6 clipping point
T7 fixed leg
T8 channel
W Modeling
X1 Recoater drive signal
X2 Scanner laser drive signal
X3 Elevator drive signal
Z Rapid Prototyping Peripheral Device

Claims (3)

熱可塑性材料で鋳型を作る鋳型製造工程と、
前記熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を前記鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にする易融合金鋳造工程と、
前記鋳型を分割して取り外し前記鋳造品を目標の立体品として取り出す鋳型取り外し工程とを含む立体品製造方法における前記鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、
前記目標の立体品の形状の全部または一部を外側にオフセットさせ、前記鋳型の外形形状を作成するオフセット鋳型作成手段を備えたことを特徴とする鋳型形状設計装置
A mold manufacturing process for making a mold with a thermoplastic material;
An easy-fusion gold casting step in which an easy-fusion gold melted at a temperature lower than the softening point of the thermoplastic material is poured into the mold to be solidified into a cast product, and
In the mold shape design apparatus for supporting the mold shape created in including standing body article manufacturing method and a mold removal step of removing the removable the casting by dividing the mold as the target of the three-dimensional article,
An apparatus for designing a mold shape, comprising offset mold creating means for offsetting all or a part of the shape of the target three-dimensional product outward to create an outer shape of the mold .
請求項1に記載の立体品製造方法における前記鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、
複数に分割された前記鋳型を相互に位置合わせするための部分形状を作成する鋳型合わせ形状作成手段を備えたことを特徴とする鋳型形状設計装置
In the mold shape design apparatus for supporting your Keru the mold shape created stereoscopic article manufacturing method according to claim 1,
A mold shape design apparatus comprising a mold alignment shape creation means for creating a partial shape for mutually aligning the plurality of divided molds .
請求項1に記載の立体品製造方法における前記鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、
前記鋳型の変形を抑制する保持器に前記鋳型を固定するための部分形状を作成する保持器固定形状作成手段を備えたことを特徴とする鋳型形状設計装置
In the mold shape design apparatus for supporting your Keru the mold shape created stereoscopic article manufacturing method according to claim 1,
A mold shape design apparatus comprising: a cage fixing shape creating means for creating a partial shape for fixing the mold to a cage for suppressing deformation of the mold .
JP13839999A 1999-05-19 1999-05-19 Mold shape design device Expired - Lifetime JP4269116B2 (en)

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